La presión de flotabilidad es una carga de diseño que se debe considerar para estructuras construidas debajo del nivel freático. Cuanto más profunda es la excavación, mayor es la presión de flotación que ejerce el agua.
Es muy importante que los ingenieros civiles sepan cómo calcular la presión de flotabilidad porque muchas estructuras se construyen debajo del nivel freático.
Veamos qué estructuras necesitamos para tener en cuenta la presión de flotabilidad.
- Tanques subterráneos
- Losas de sótano
- Cimentaciones de losa
- Represas
- Forjado
Diseño de tanques subterráneos para presión de flotabilidad.
Un tanque construido debajo del nivel freático flotará en el agua si no tenemos en cuenta el aumento de presión del agua. Además, esto puede provocar fallos estructurales.
La siguiente ilustración muestra un tanque construido bajo tierra.
Como se muestra en la figura anterior, se aplica una presión de flotación a la base.
Cómo calcular la fuerza de flotabilidad
La presión a la profundidad “h”; PAG
P = hρg
Esta pregunta se puede formular de la siguiente manera:
P=ϒ yo H
Área de losa = A
Fuerza de flotación = ϒ i hA
Factor de seguridad contra la presión de flotabilidad.
En general, el factor de seguridad contra la flotabilidad está en el rango de 1,2 a 1,5. Normalmente se mantiene en 1,2.
Se puede utilizar el siguiente procedimiento para comprobar la flotabilidad.
- Calcule la fuerza de flotabilidad según la ecuación anterior.
- Calcula el peso de la estructura. El peso puede no ser el peso total de la estructura si la construcción se realiza en varias fases sin drenaje. En estas situaciones, a la hora de calcular el peso se debe tener en cuenta parte de la estructura que se levantará en la primera fase. Si la deshidratación se realiza hasta que la estructura alcance la resistencia, se podrá tener en cuenta el peso total de la estructura a la hora de evaluar el factor de seguridad frente a la flotabilidad.
- El factor de seguridad contra la presión de flotabilidad = peso de la estructura/fuerza de flotabilidad > 1,2
- La placa base debe estar diseñada para soportar la presión ejercida por el agua y la presión del suelo debido a las cargas del contenedor.
Flotabilidad en losas de sótano
Los pisos subterráneos generalmente se construyen debajo del nivel freático y en varias fases de construcción.
Además, las plantas del sótano pueden tener varios niveles.
Normalmente, estos paneles están diseñados para ofrecer flotabilidad, que sólo se aplica al panel de sentina después de la construcción. Si el área a construir se cubre con soportes como Tablestacas, pilotes secantes, etc., no habrá agua en la excavación.
Sin embargo, durante el trabajo se debe tener en cuenta la presión del agua en la losa del sótano. Como el sótano es relativamente profundo, la losa más gruesa debe diseñarse para resistir las fuerzas involucradas.
Para sótanos más profundos, se requiere un sistema de anclaje adicional para absorber las fuerzas ascendentes sobre la losa del sótano.
Si la losa del sótano está sobre roca, es posible que esté sostenida por la roca. Sin embargo, en algunas estructuras, la losa del sótano y toda la estructura están sustentadas por cimientos de pilotes.
Si la losa del sótano y la superestructura descansan sobre roca, el anclaje para roca debe diseñarse para soportar fuerzas ascendentes.
Además, si la estructura está sobre pilotes, los pilotes deben diseñarse para resistir fuerzas de tracción. Los pilotes deben diseñarse para resistir fuerzas de tracción axial. Además, los pilotes deben estar suficientemente anclados en la roca para garantizar una fricción suficiente.
Presión de flotabilidad en cimientos de losas.
Al igual que otras estructuras, los cimientos de losas están diseñados para proporcionar flotabilidad.
Sin embargo, debido al mayor espesor de las losas de cimentación, las fuerzas de flotación no son críticas, especialmente en sótanos construidos muy cerca del suelo.
A medida que los niveles del sótano aumentan en profundidad, puede ser necesario considerar una presión ascendente sobre los cimientos.
Aumento de presión en represas Aumento de presión en represas
Las presas se construyen para recolectar agua para generación de energía, riego, producción de agua potable, etc. Debido a la importancia de estas estructuras, se espera que su vida útil sea de 120 años o más.
Además, están construidos como estructuras rígidas que pueden soportar cualquier fuerza que se les aplique.
Normalmente, las estructuras de hormigón se construyen sobre roca. Sin embargo, también puede ocurrir que estén construidas sobre tierra firme.
Incluso si el edificio está construido sobre roca y ésta ha sido enlucida para mejorar su permeabilidad, pueden formarse cursos de agua debajo de los cimientos.
Se utilizan dos métodos para diseñar estas estructuras.
- Para estructuras relativamente ligeras, éstas se anclan a la roca para evitar un momento de vuelco debido a la presión de flotabilidad. Sin embargo, este método presenta algunos riesgos, ya que las varillas pueden corroerse cuando se exponen a un ambiente corrosivo durante un largo período de tiempo, incluso si las varillas están galvanizadas. Muy a menudo, los anclajes diseñados para fuerzas de tracción se colocan uniformemente entre el suelo y la roca.
- El peso de la estructura sigue siendo mayor que la presión de flotabilidad. Por tanto, no hay momentos de vuelco.
Es necesario diseñar toda la estructura para una presión de agua ascendente. Como se indica en la figura anterior, el espesor de la parte final de la estructura es comparativamente menor que el área de la ojiva.
Existen métodos para determinar los valores de presión debajo de la base, que no se analizan en este artículo y están destinados a verificar los diseños estructurales y de inclinación.
Además, el efecto de la presión de flotabilidad debe considerarse como uno de los aspectos más importantes en el diseño.
Dependiendo del tipo de estructura, es posible que también sea necesario tener en cuenta la presión de flotación sobre los muros de contención.
Presión fluctuante en los muros de contención
Cuando se construye un muro de contención para retener fluidos y el muro es más alto, se crea demasiada presión hacia arriba sobre el muro de contención, lo que puede provocar el colapso.
La mayoría de la gente olvida tener en cuenta la presión de flotación sobre la estructura de los cimientos durante la construcción.
Aunque consideramos que el peso del agua contribuye al momento de restauración al revisar los cálculos de vuelco, la presión de flotación hacia arriba aplicada a la base crea un momento de vuelco.
Por tanto, debemos prestar atención a estos aspectos a la hora de diseñar. Para obtener más información, consulte el artículo Cálculo de la estabilidad de muros de contención en otros diseños.
